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      C波段高穩(wěn)定陶瓷諧振振蕩器設(shè)計(jì)

      2011-05-31 06:15:26王紅梅溫艷兵王毅剛馬建軍
      電子與封裝 2011年12期
      關(guān)鍵詞:壓控熱敏電阻諧振器

      王紅梅,溫艷兵,王毅剛,馬建軍

      (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所,南京 210016)

      1 引言

      隨著微波半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展,微波設(shè)備和系統(tǒng)也趨向小型化、輕量化和集成化。微波陶瓷諧振振蕩器(CRO)使用高Q值的陶瓷諧振器(CR)作為穩(wěn)頻元件,具有較好的頻率及功率穩(wěn)定性,且噪聲低、體積小[1]。本文結(jié)合C波段CRO的電路仿真、制作從多個(gè)方面論述了實(shí)踐中提高頻率穩(wěn)定度的方法。

      2 基本原理

      振蕩器是由一個(gè)有源器件(二極管或三極管)和確定頻率的無(wú)源諧振元件及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成的,見(jiàn)圖1。

      圖1 負(fù)阻振蕩器等效網(wǎng)絡(luò)[2]

      從圖1可以看出諧振網(wǎng)絡(luò)、晶體管及輸出網(wǎng)絡(luò)的變化都會(huì)對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定造成影響。由公式:可以看出電感L和電容C直接決定著頻率,而它們又隨溫度、濕度、大氣壓力、振動(dòng)等環(huán)境因素變化而變化,導(dǎo)致頻率跟著變化。尤其是隨著頻率增高,電抗元件的高頻損耗加大,Q值下降,所以在頻率、帶寬滿足的前提下應(yīng)盡量選擇高Q值的諧振器。

      3 電路設(shè)計(jì)及仿真

      這里我們制作了一種C波段壓控振蕩器,由于在全溫范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度指標(biāo)為f±15MHz、調(diào)頻線性小于1.1、總調(diào)諧帶寬近200MHz,所以首先考慮到用石英諧振器、介質(zhì)諧振器(DR)等固體諧振系統(tǒng)代替由電感、電容構(gòu)成的電磁諧振系統(tǒng),因?yàn)檫@類振蕩器都是高Q值、低損耗,較易實(shí)現(xiàn)較高的頻率穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度及低相噪,且體積、耗電均很小。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),石英諧振器的諧振頻率過(guò)低,而介質(zhì)諧振器在C波段體積又過(guò)大,只有陶瓷諧振器(CR)尺寸合適,為此我們?cè)谡{(diào)諧回路引入了陶瓷諧振器(CR)。CR類似于硬同軸線,其中心導(dǎo)體的末端與同軸線的外部相連。因?yàn)镃R的同軸裝置是由鍍銀的高ε、低損耗材料制成,電磁場(chǎng)僅包含在同軸內(nèi)部,只有很少的輻射,所以適用于高Q值、高穩(wěn)定度的振蕩器。CR通常工作在λ/4模式或λ/2模式。這里我們選用了TEMEX公司的CR,εr=37,工作在λ/4模式。

      3.1 電路形式的選擇

      共基極電路易起振,調(diào)諧帶寬寬;共集電極電路輸出功率大、調(diào)諧帶寬小,考慮到帶寬,這里采用了共集電極、基極調(diào)諧、射極輸出的電路,見(jiàn)圖2。

      圖2 電原理圖

      3.2 晶體管工作點(diǎn)的選擇

      晶體管的參數(shù)(輸入輸出阻抗等)受工作點(diǎn)影響很大,其結(jié)電壓會(huì)隨著溫度升高而以一定比率降低,使結(jié)電容增大,造成頻率下降,所以本例中我們除了選擇高穩(wěn)定的穩(wěn)壓塊給振蕩管供電外,還在穩(wěn)壓塊引腳處并聯(lián)了相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)的電容去耦來(lái)減小紋波,使相噪更好,頻穩(wěn)度更高;同時(shí)利用PN結(jié)在高低溫下壓差變化的特性,特別減小了射極下偏置電阻值,這樣工作電流的改變,起到了補(bǔ)償頻率變化的作用,尤其是在低溫下。晶體管工作在+5V,電流僅為10mA,這樣也防止了因電流過(guò)大引起晶體管結(jié)溫升高而導(dǎo)致的頻漂。

      3.3 回路耦合設(shè)計(jì)

      負(fù)載的變化會(huì)直接反映到振蕩回路中,既影響諧振頻率,又使Q值變化,從而改變頻率,故從振蕩回路的低阻抗點(diǎn)輸出信號(hào)可減小負(fù)載的影響。這里由于體積所限輸出采用了衰減后再加放大器,而不是常規(guī)的在振蕩器與負(fù)載間加隔離器,這樣負(fù)載與諧振回路的耦合更弱,影響更小。諧振回路也采用了弱耦合,CR與變?nèi)莨苤g只用了0.2pF的片電容。

      3.4 壓控支路的溫度補(bǔ)償

      這里變?nèi)莨苓x擇了1084,系常γ超突變結(jié)砷化鎵變?nèi)荻O管,其Q值高于硅變?nèi)荻O管。由于變?nèi)莨芊蔷€性,偏壓低時(shí)變?nèi)莨芮€斜率大,壓控斜率也大,偏壓高時(shí)正相反;且溫度變化會(huì)使變?nèi)莨芙佑|電位和介電常數(shù)發(fā)生變化,引起結(jié)電容的變化,且呈正溫度系數(shù)關(guān)系。所以我們將一只負(fù)溫度系數(shù)的陶瓷電容串入變?nèi)莨苤C振回路,在全溫范圍取得較好的補(bǔ)償效果。同時(shí)由于該變?nèi)莨茏儽却螅覀冎恍?00MHz帶寬,所以對(duì)壓控支路進(jìn)行了分壓,并在分壓支路引入熱敏電阻進(jìn)行了溫度補(bǔ)償,見(jiàn)圖3。

      圖3 壓控支路

      考慮到寬溫范圍,該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選用了雙熱敏電阻單T型網(wǎng)絡(luò),這種形式適用于二次曲線的補(bǔ)償,其中R1、R2、R3為固定電阻,上偏置R4(T)為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,下偏置R5(T)為正溫度系數(shù)熱敏電阻。為防止過(guò)度補(bǔ)償,這里還用了一個(gè)固定電阻R6與熱敏電阻R5(T)并聯(lián),以降低R5(T)隨溫度變化的靈敏度。

      3.5 電路仿真

      仿真電路及仿真結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

      圖4 仿真電路

      圖5 仿真結(jié)果

      3.6 試驗(yàn)結(jié)果

      通過(guò)以上的分析與仿真,我們制作的C波段CRO取得了較為滿意的指標(biāo),V-P、V-f特性見(jiàn)圖6,全溫范圍溫漂≤50×10-6/℃,帶內(nèi)線性≤1.1,頻率穩(wěn)定度≤±15MHz,帶寬穩(wěn)定度≤±2MHz。

      圖6 實(shí)測(cè)曲線

      諧波抑制≥20dBc,雜波抑制≥60dBc,相噪≤-108dBc/Hz/10kHz。

      4 結(jié)論

      從以上分析可知,提高振蕩器頻率穩(wěn)定度的方法就是提高振蕩回路的Q值,比如選擇高Q的變?nèi)莨堋㈦娙?、電感等元件;因Q正比于,可增加電感量;振蕩管工作點(diǎn)的選擇及電路形式也至關(guān)重要。這里再補(bǔ)充一點(diǎn),最好在裝配好一個(gè)振蕩器后先進(jìn)行一定時(shí)間的高溫電老化,使所用元器件的狀態(tài)更穩(wěn)定,這樣也有利于頻率穩(wěn)定度的提高。總之,根據(jù)產(chǎn)品的指標(biāo)可以綜合運(yùn)用多種方法,以取得滿意的效果。

      [1] George D. Vendelin,Anthony M. Pavio,等.線性與非線性微波電路設(shè)計(jì)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2010.

      [2] 費(fèi)元春,陳世偉,孫燕玲,等. 微波固態(tài)頻率源——理論·設(shè)計(jì)·應(yīng)用[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1994.

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